19092

Квантование сигналов по уровню

Практическая работа

Физика

Лекция № 5. Квантование сигналов по уровню. Постановка задачи. Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называют квантованием по уровню. По существу операция квантования заключается в округлении значения...

Русский

2013-07-11

326.5 KB

80 чел.

Лекция № 5.

Квантование сигналов по уровню.

Постановка задачи. Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называют квантованием по уровню.  По существу, операция квантования  заключается в округлении значения непрерывной величины до разрешенных значений шкалы квантования в соответствии с принятым правилом.

Обычно диапазон измеряемой величины, ограниченный значениями  и , разбивают на  равных интервалов (шагов) квантования :

.                                                                            (5.1)

Из множества мгновенных значений, принадлежащих му  шагу квантования , только одно значение  является разрешенным (й уровень квантования). Совокупность величин  образует дискретную шкалу уровней квантования. Следует иметь в виду, что при выборе  в качестве его значения принимают либо верхнюю границу интервала квантования, либо нижнюю, либо середину интервала. В результате возникает методическая погрешность квантования, носящая случайный характер и характеризуемая либо ее максимальным значением , либо среднеквадратичным отклонением  для всего диапазона изменения мгновенных значений сигнала.

С позиций минимизации наибольшей возможной ошибки квантования непрерывную шкалу мгновенных значений сигнала целесообразно разбить на  шагов квантования и уровни квантования разместить в середине каждого шага (см. рисунок).

Из рисунка, на котором представлена статическая передаточная характеристика преобразования, следует, что максимальная погрешность квантования  равна . Если уровень квантования выбрать равным верхней или нижней границе интервала   квантования, то максимальная ошибка квантования возрастет до величины .

Оценим величину среднеквадратической погрешности квантования при следующих условиях: во-первых, возможные значения измеряемого сигнала распределены равномерно, во-вторых, измеряемая величина и случайная погрешность независимы. Доказано, что при условии , закон распределения погрешности квантования не зависит от  и близок к равномерному, т.е. плотность вероятности погрешности характеризуется постоянной величиной . Тогда погрешность квантования  на м интервале может быть оценена дисперсией и соответствующим среднеквадратическим отклонением:

.                                                           (5.2)

Дисперсия полной ошибки квантования для всей непрерывной шкалы мгновенных значений сигнала может быть определена как математическое ожидание дисперсий  на отдельных шагах квантования:

                                                                   (5.3)

где величина характеризует вероятность попадания мгновенного значения сигнала в пределы данного шага. Так как   то величина дисперсии погрешности будет равна:

.                                                                                   (5.4)

Таким образом, при квантовании с постоянным шагом и размещении уровней квантования в середине шага (равномерное квантование) среднеквадратическая погрешность квантования связана с интервалом квантования соотношением:

.                                                                                               (5.5)

Шум квантования. При квантовании сигнала по уровню реализация, представляющая собой случайный процесс , заменяется ступенчатой зависимостью . Изменяющуюся во времени погрешность квантования, также представляющую собой случайный процесс, называют шумом квантования:

                                                                            (5.6)

Сохраняя ранее введенные предположения (о малости шага квантования и равномерности распределения в нем мгновенных значений сигнала) и считая случайные процессы  и  эргодическими, среднеквадратическую ошибку равномерного квантования  можно определить по реализации .

В пределах каждого шага квантования  зависимость  можно заменить прямой , где переменный угол наклона прямой. При размещении уровней квантования в середине каждого шага математическое ожидание погрешности квантования равно нулю, а ее среднеквадратическое значение определяется из дисперсии погрешности:

,                                      (5.7)

и соответствует ранее полученному значению:

.

Наряду с шумом квантования у реальных АЦП, выполняющих функцию квантования, имеются составляющие шума, обусловленные неидеальными характеристиками компонентов, т.е. инструментальные (аппаратурные) составляющие. Суммарная мощность шумов квантования , определяемая величиной дисперсии шума, равна:                                                                                   (5.8)

где  – средняя мощность дополнительных шумов, численно равная дисперсии отклонения реальной передаточной характеристики АЦП по сравнению с идеальной.

Квантование сигналов при наличии помех. В реальных условиях на квантуемый сигнал всегда воздействует помеха. Выберем интервал квантования с учетом вероятностных характеристик этой помехи и условия ее аддитивности с сигналом. Очевидно, что мгновенное значение сигнала , попадавшее ранее в й шаг квантования и сопоставлявшееся с уровнем квантования , в результате действия помехи примет значение () и может быть поставлено в соответствие другому уровню квантования . Такой исход приводит к искажению информации и вероятность его не должна превышать допустимого значения.

Обозначим через  условную вероятность сопоставления значения сигнала  уровню квантования  вместо уровня  при условии, что сигнал  принадлежит му шагу квантования. Очевидно, что при наличии помехи условная вероятность ошибочного решения >0, а <0.

Полная вероятность того, что величина () останется в пределах го шага квантования, равна:

.                                                                          (5.9)

Эту вероятность можно также найти, используя совместную плотность вероятности  двух случайных величин и :

                                                                        (5.10)

где некоторая область интегрирования, границы которой найдем, исходя из рисунка:

Рассмотрим интервал квантования, в котором границами интегрирования по  являются значения  и . Верхняя  и нижняя  границы интегрирования по  определяются из условия, что алгебраическая сумма сигнала и помехи не должна выйти за пределы го шага квантования.

Считая помеху некоррелированной с сигналом, запишем:

                                                    (5.11)

где – плотность распределения помехи. Знаменатель выражения (5.11)  для случая равномерного квантования сигнала, мгновенные значения которого в диапазоне от  до  распределены равномерно, равен

.                                                            (5.12)

Определим условную вероятность  в предположении воздействия помехи, распределенной по равномерному закону: , где – амплитуда помехи, симметричной относительно мгновенного значения сигнала. Учитывая, что результаты расчета инвариантны относительно номера интервала квантования и зависят от соотношения амплитуды помехи  и величины , найдем  при :

.                                                      (5.13)

Аналогично находим  при  и :

                                                     (5.14)

Анализ соотношений (5.13) и (5.14) показывает, что нецелесообразно   выбирать меньше , поскольку при  резко возрастает вероятность неправильного квантования сигнала.

Аналогично рассчитывают зависимости для случая помехи, распределенной по нормальному закону распределения. Сравнение результатов расчетов показывает, что для вероятности правильного квантования   воздействие помехи с нормальным законом распределения эквивалентно воздействию равномерно распределенной помехи при соотношении , где – среднеквадратическое отклонение помехи .

PAGE  1


EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78393. Тепловоз 2ТЭ116 588.91 KB
  После этого от автоматического выключателя А В подается питание на контактор маслопрокачивающего насоса КМН и блок пуска дизеля БПД следующей цепи: плюс от АУ по проводам 16841685 через замкнутый блокировки крана машиниста БУ по проводам 1686 1687 через замкнутый контакт реверсивного механизма контроллера машиниста ВОН по провода 1696 через замкнутый на нулевой позиции контакт 4 контроллеры машиниста по провода 1699 через замкнутый контакт кнопки ПД1 по проводам 1702 1703 1704 через уравнительный резистор СУ по провода 1706 через...
78395. Электрическая цепь трогание с места 37.54 KB
  Для примера рассмотрим цепь второй группы тяговых электродвигателей: плюс главного генератора общая шина 1 замкнутые контакты и катушка дугогашения контактора КП2 S2 кабель 13 обмотка якоря и дополнительных полюсов тягового электродвигателя 3 кабель 14 обмотка якоря и дополнительных полюсов тягового электродвигателя 4 кабель 15 замкнуты пальцы и сегменты реверсора Р Р Z кабель 18 обмотка возбуждения электродвигателя 3 кабель 17 обмотка возбуждения электродвигателя 4 кабель 16 замкнуты пальцы и сегменты реверсора Р Р Z кабель...
78397. Цепи реверсирования и ослабление поля 2.36 MB
  Для расширения диапазона скоростей при которых мощность дизеля используется полностью применяется регулирование частоты вращения тяговых электродвигателей путем изменения их магнитного потока возбуждения ослабление магнитного поля. Если параллельно обмотке возбуждения подключить резистор зашунтировать обмотку через нее будет протекать только часть тока якоря и магнитный поток уменьшится. прямо пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку возбуждения. Так как скорость локомотива а значит и частота вращения якоря...
78398. Защита и сигнализация схемы при перегреве воды и масла 2.48 MB
  Электрическая схема вспомогательных цепей управления Недостаточное давление масла в системе дизеля Если при работающем дизеле давление масла становится меньше установленного для данной позиции контроллера контакты реле РДМ1 входящей в блок защиты встроенный в регулятор дизеля замыкают цепь сигнальной лампы ЛДМ. При недопустимом уменьшении давления масла контакты датчикареле давления РДМ4 разрывают цепь питания катушки реле РУ9. При пуске дизеля давление масла контролируется с помощью реле РДМЗ контакты которого включены в цепь...
78399. Защита системы от пробоя изоляции и короткого замыкания 2.33 MB
  Защита и сигнализацию при пробое на корпус в любой точке силовой цепи электропередачи обеспечивает специальная схема, в которую входят реле заземления РЖД с двумя согласно включенными обмотками (рабочей и содержащей)
78400. Защита системы от буксировки колесных пар тепловоза 2ТЭ116 4.02 MB
  Обусловлен их незначительной разницей ток проходящий от выхода блока по проводу 776 через запертую контакты контактора В7 резисторы СРБ1 и СРБ2 катушки реле буксования РБ1 РБ2 не может вызвать их срабатывания. При боксовании потенциал вывода тягового электродвигателя пробуксовки колесной пары уменьшается и разность потенциалов сравниваемых в блоке порождает ток который проходя через катушки реле приводит к их включения. Контакты реле боксования размыкают цепи питания катушек реле рис.51 Электрическая схема управления...